Highly efficient luminescent solar concentrators based on earth-abundant indirect-bandgap silicon quantum dots

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作者
Francesco Meinardi,Samantha Ehrenberg,Lorena Dhamo,Francesco Carulli,Michele Mauri,Francesco Bruni,Roberto Simonutti,Uwe R. Kortshagen,Sergio Brovelli
出处
期刊:Nature Photonics [Springer Nature]
卷期号:11 (3): 177-185 被引量:326
标识
DOI:10.1038/nphoton.2017.5
摘要

Building-integrated photovoltaics is gaining consensus as a renewable energy technology for producing electricity at the point of use. Luminescent solar concentrators (LSCs) could extend architectural integration to the urban environment by realizing electrode-less photovoltaic windows. Crucial for large-area LSCs is the suppression of reabsorption losses, which requires emitters with negligible overlap between their absorption and emission spectra. Here, we demonstrate the use of indirect-bandgap semiconductor nanostructures such as highly emissive silicon quantum dots. Silicon is non-toxic, low-cost and ultra-earth-abundant, which avoids the limitations to the industrial scaling of quantum dots composed of low-abundance elements. Suppressed reabsorption and scattering losses lead to nearly ideal LSCs with an optical efficiency of η = 2.85%, matching state-of-the-art semi-transparent LSCs. Monte Carlo simulations indicate that optimized silicon quantum dot LSCs have a clear path to η > 5% for 1 m2 devices. We are finally able to realize flexible LSCs with performances comparable to those of flat concentrators, which opens the way to a new design freedom for building-integrated photovoltaics elements. Reabsorption losses in luminescent solar concentrators can be avoided by the use of indirect-bandgap semiconductor nanostructures. The technology has been used to demonstrate flexible luminescent solar concentrators with performance comparable to flat concentrators.
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